KR100622912B1 - 내충격 및 내마모성이 우수한 ＴｉＡｌＮ계 다층경질 박막 - Google Patents

Abstract

물리증착 코팅법인 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법 또는 아크법등을 이용하여 세라믹 피복경질층을 절삭공구에 코팅함에 있어 기존 코팅공구 보다 피복 경질층의 내마모성 및 내충격성을 향상시키는 경질 피복층의 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따르면, 절삭공구 또는 내마모성 공구의 표면에 피복경질합금을 코팅함에 있어서 피코팅물에 인가하는 바이어스(Bias) 전압을 적층으로 인가하여 코팅하였을 때 우수한 내마모성 및 내충격성을 나타낸다.

Description

내충격 및 내마모성이 우수한 ＴｉＡｌＮ계 다층경질 박막{A TiAlN-based multi-layer with antiwear and antishock coated to cutting tool}

본 발명은 내마모성과 내충격성이 우수한 절삭성능을 갖는 절삭공구의 TiAlN계 다층 경질박막에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내마모성 및 내충격성이 우수한 TiAlN계 다층 경질 박막을 코팅하는 방법에 관한 것이다.

절삭공구/내마모성 공구에 내마모성을 향상시키기 위해서 물리증착법인 아크법,스퍼터법등을 이용하여 TiN,TiCN,TiAlN등의 N계 피복 경질 합금 을 증착시키는 것은 일반적이며 이들 박막중 고온에서 가장 내마모성이 우수하여 근래에 금속 절삭 분야에서 가장 각광받고 있는 박막은 TiAlN 피복경질합금이다. 그러나 TiAlN 박막은 경도가 높아 내마모성이 우수한 반면 내충격성이 TiN,TiCN 박막에 비해 열세하여 충격이 가해지는 작업 조건이나 중저속 조건에서는 적합하지 않는 경우가 있으며 TiN,TiCN 또한 가공조건에 따라 동일한 경우가 발생할 수 있다. 증착 방법 및 증착 인자의 변화에 따라 내마모성 또는 내충격성 향상이 가능하나 이들 성능 모두를 향상시키는 것은 아주 어렵다. 일반적으로 내마모성과 내충격성은 서로 반대되는 물성으로 동시에 개선하는 것은 어려우므로 각 박막의 적용 영역이나 용도에 따 라 박막이 물성을 결정하고 있으나 실제 가공시에는 내마모성과 함께 내충격성이 모두 요구되는 것이 일반적이어서 다양한 가공 조건 및 가공물에 적합한 물성을 가지는 박막을 증착하는 것은 불가능하다.

이러한 필요성에 의해 본 출원인이 2003.6.30일자 출원한 대한민국 특허출원 제 2003-43513 호에서와 같이 최근에는 박막 자체 물성의 개선 보다는 내마모성이 우수한 TiAlN 박막에 윤활성이 우수한 TiN 박막 또는 기타 박막을 결합하여 기계적 충격에 의한 파손율을 감소시키는 2차 적인 방법이 개발되었다. 그러나 이 경우 메인 박막을 증착하기 위한 증발원외에 윤활막을 증착하기 위한 또 하나의 증발원이 필요하여 증발원의 감소에 따른 증착 시간 증가하는 문제가 발생하였으며 박막 자체의 근본적인 물성이 개선 되지 않는바 단속이 발생하는 절삭시에는 공구의 파손이 발생하는 문제점을 갖게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점 및 과제를 해결하기 위한 것으로, 물리 증착법을 이용하여 질화계 세라믹 박막을 증착할때 증착 초기와 그 다음의 공정에서 인가하는 바이어스(Bias) 전압을 변형시켜 증착구조를 이중으로 함으로써 내마모성을 유지하면서 내충격성이 향상되어 다양한 가공 조건과 가공물에 적용 가능한 다층경질박막을 코팅하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은;

절삭공구에 피복하기 위한 다층경질 박막을 코팅하는 방법으로서,

TiAlN계 다층박막을 1~2㎛로 증착한 뒤 그 위에 다시 0.5~1.5㎛로 증착하는 TiAlN계 다층 박막의 코팅방법을 제공한다.

여기서 상기 다층 경질 박막은 물리증착법으로 공구에 증착시킴이 바람직하고 상기 TiAlN계 다층박막은 TiAlN/TiAlCrN계 다층 박막이며 교차하여 100-1700층으로 코팅시킴이 바람직하다.

또한 상기 TiAlCrN 박막은 (TiaAlbCrc)N의 조성으로 이루어져 있으며 여기서 a+b+c=1이고 c=5원자%-12원자%인 것이 바람직하고 상기 (TiaAlbCrc)N 피복층은 우선 성장 방위가 (200)면임이 바람직하다. 또한 상기에서 초기 TiAlN계 다층 박막의 코팅시 인가 바이어스 전압은 90-150V가 바람직하고 이후의 인가 바이어스 전압은 20-90V로 한다. 본 발명에서는 따라서 바이어스 전압을 변경시켜 박막의 우선성장 방위가 1회 이상 변경되게 함이 바람직하다.
여기에서 초기 바이어스 전압을 인가한 박막의 성분은 45원자%≤Ti≤55원자% 및 45원자%≤Al≤55원자%으로 함이 바람직하고, 바이어스 전압을 변경하여 인가한 박막의 성분은 40원자%≤Ti≤55원자% 및 45원자%≤Al≤60원자%로 함이 바람직하다. 따라서 전압변경으로 우선성장 방향이 변경됨과 동시에 박막 성분도 변경되며, 이는 바이어스 전압을 변경 유무를 판단할 수 있게 한다.

본 발명에서 사용되는 코팅법으로는 언밸런스드 마그네트론 스퍼터법(UBM법)으로 TiAlN 박막과 TiAlCrN 박막의 다층 코팅을 실시하였다.

제조공정은 로타리펌프, 부스타 펌프, 터보 펌프를 이용하여 로내 압력을 5.0ㅧ 10^-5토르 이하로 진공배기한 후 히터로 로내 온도를 450℃까지 가열한다. 승온후 Ar가스와 반응가스로 N2를 투입하고 바이어스 전압을 90~150V를 인가한다. UBM법을 이용하여 TiAlCrN 박막과 TiAlN 박막의 적층을 1~4㎛로 증착하였으며, 바이어스 전압을 20-90V로 변경하여 다시 0.5~1.5㎛로 증착하였다.

여기에서 초기 바이어스 전압은 90V 이하로 하면 내마모성은 증가하나 인성은 저하하고 90V 이상이 되면 그 반대가 되므로 내마모성과 인성을 고려하여 증착 바이어스 전압을 결정하였다.

<실시 예1>

먼저 피코팅물은 초경합금을 사용하였으며 밀링 절삭 시험을 위해 P30 등급의 ISO 규격 SPCN1203EDTR을 코팅하였으며 이를 이용하여 밀링 절삭성능 시험을 실시하였다. 절삭 성능시험은 연속 절삭 시험과 단속 절삭시험을 실시하였으며 평가 조건은 표1에 나타내었다.

연속 내마모시험은 폭150mm, 길이 265mm의 각재를 가공하였으며 단속 절삭시험은 폭 25mm,길이 265mm인 각재 3장을 각각 3mm만큼 이격 시켜서 겹친 형태로 가공하였다.

연속 내마모시험의 평가는 10pass 가공후 여유면 마모량을 측정하였으며 단속 절삭시험은 아래의 조건에서 1회 실시하여 파손이 발생하지 않을 경우 날당 이송량을 증가하여 파손시까지 실시하였다.

바이어스 전압에 따른 성능을 파악하고자 코팅방법은 위에서 설명한 바와 같이 UBM법을 이용하여 막두께가 3㎛가 될 때까지 코팅을 실시하였다.

바이어스 전압을 변경하여 코팅할때는 초기 바이어스 전압 인가시에는 2.0㎛, 바이어스 전압 변경후에는 두께가 1.0㎛가 되게 코팅하였다.

아래의 표2에는 본 발명에 의해서 제조된 TiAlN 피복 경질 합금과 TiAlCrN 피복 경질 합금의 바이어스 전압에 따른 절삭 테스트 결과에 대해서 나타내었다.

표2에 나타낸 것처럼 증착 바이어스 전압을 30V-70V까지 인가시에는 내마모성 및 인성이 거의 유사한 결과를 나타내었으나 90V 인가시 부터 내마모성은 급 격히 열세한 결과를 나타내었고 인성은 우수한 결과를 나타내었다.

이러한 결과는 150V까지 유사하게 나타나다가 170V 인가시에는 내마모성 및 인성이 다시 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 170V 인가시에는 지나치게 높은 바이어스 인가전압으로 인해 인써트 인선부에 Resputtering으로 인한 박리가 발생하여 절삭 성능이 감소한 것으로 추측되며 실제 외관상으로도 인선부에 박리가 발생한 것이 관찰되었다.

바이어스 전압에 따른 절삭 성능의 차이는 Ti,Al의 이온화율에 따른 것으로 일반적으로 Ti의 이온화율을 100%으로 가정할 때 Al은 30-50%이며 이는 임의의 바이어스 전압 인가시 박막에서 Al 함량 대비 Ti의 함량이 높은 것을 의미한다.

이러한 박막에서의 Ti,Al의 함량이 차이는 증착 방식 및 기타 코팅 조건에 따라 발생하나 코팅시 인가되는 바이어스 전압에 의해서도 큰 영향을 받는다. 즉 바이어스 전압이 낮을때에는 박막에서의 Ti,Al 함량이 차이가 바이어스 전압이 높을때보다 상대적으로 적다.

이는 다른 증착조건이 동일할 때 증착 바이어스 전압이 낮은 박막이 높은 박막 대비 박막에서의 Al의 함량이 높은 것을 의미하며 절삭성능에서 내마모성이 우수한 것을 의미하며 동시에 인성이 열세한 것을 의미한다. 일반적으로 일정 함량까지는 Al의 함량이 높으면 내마모성은 증가하는 것으로 알려져 있다. 표2에는 바이어스 전압별 절삭 성능 평가 결과에 대해 나타내었는데 상기의 사실과 표2에 나타난 결과와는 일치한다.

상기의 절삭 평가를 기본으로 본 발명품의 경우 증착 바이어스 전압을 90V 이 상의 전압과 이하의 전압으로 나누어서 증착하였으며 또한 90V 이하의 전압으로 먼전 증착한것과 90V 이상의 전압으로 먼저 증착한 것을 상호 비교하였다.

표2에서 9번 시료와 10번 시료를 비교하면 처음 증착 바이어스 전압이 각각 50V와 90V이며 이후에는 150V로 동일한 전압을 인가하였다. 9번 시료는 내마모성이 우수한 반면 인성은 열세한 결과를 나타내었으며 10번 시료는 내마모성이 열세하고 인성이 우수한 결과를 나타내었다. 즉 초기 증착 바이어스 전압에 따라 절삭 성능이 결정되는 것으로 나타났다.

그러나 11번 시료와 12번 시료의 경우 초기 바이어스 전압이 150V 이나 11번 시료는 내마모성이 우수하게 나타났으며 인성 또한 우수하게 나타났다. 즉 초기 전압을 90V 이상으로 인가하고 이후 전압을 90V 이하로 인가시 내마모성과 인성을 동시에 향상하는 것이 가능한 것으로 나타났다.

	연속내마모시험	단속절삭시험
가공물	SCM440(HB250)	SCM440(HB250)
절삭속도(m/min)	271	125
날당이송량(mm/刃)	0.167	0.24 - 0.6
절입량(mm)	2.0	2.0
절삭유	무	무
가공 시간(pass)	10	파손시까지

표 1

구분	증착 바이어스 전압	연속내마모시험 여유면마모(mm)	단속절삭시험 최대날당이송량(mm/刃)
1	30V	0.11	0.36
2	50V	0.102	0.36
3	70V	0.12	0.36
4	90V	0.17	0.54
5	110V	0.17	0.6
6	130V	0.19	0.6
7	150V	0.20	0.6
8	170V	0.28	0.48
9	50V+150V	0.112	0.36
10	90V+150V	0.184	0.6
11	150V+50V	0.13	0.6
12	150V+90V	0.192	0.6

표 2

<실시 예2>

실시 예1에서 가장 우수한 성능을 나타내었던 조건을 기본으로 박막 두께별로 코팅한 시료를 이용하여 절삭 성능 평가한 결과를 표3에 나타내었다. 코팅은 초기 전압을 150V, 변경후 전압을 50V로 고정하고 박막두께를 변경하여 초기 전압인가시 절삭 평가 조건은 표1과 동일하게 하였다.

표3에 나타낸 것처럼 초기 전압을 인가한 층의 두께와 전압을 변경한 층의 두께가 동일 할 때에는 최대 날당 이송량이 0.4이하로 낮게 나타났다. 이러한 현상은 전압을 초기층 이후의 전압을 변경하여 바이어스 전압을 90V 이하로 인가한 층의 두께가 두꺼워질수록 인성이 저하하는 결과를 나타내었다. 그러나 인성이 저하되는 만큼 내마모성은 저하되지 않아 다소간의 차이는 발생하였으나 거의 유사한 성능을 나타내었다. 즉 바이어스 전압을 상기 설명대로 초기에는 높게 시작하여 일정 두께로 증착후 다시 낮게 인하 할시 내마모성은 유지되면서 인성을 변화시킬 수 있는 것을 나타낸다.

초기 바이어스 전압을 150V 인가시에는 막두께가 변하여도 절삭성능은 거의 유사한 형태를 나타내었으며 50V를 인하하였을 때 막두께 변화에 따라 인성이 크게 변하였다. 즉 바이어스 전압 변경층의 두께가 초기층의 두께 대비 75% 이상일 때 인성이 저하되는 것으로 나타났다.

이는 표2에서도 나타났듯이 바이어스 전압이 낮으면 인성이 저하되는데 이러한 성질이 어떠한 두께 이상으로 증착될 때 초기층의 인성에 대한 성질을 없애는 것으 로 생각된다. 즉 본 발명에서 내마모성과 인성을 동시에 보유하기 위해서는 전압 변경층의 두께 제어가 아주 중요한 인자로 나타났다.

구분	증착 바이어스 전압별 박막두께(㎛)	연속내마모시험 여유면마모(mm)	단속절삭시험 최대날당이송량(mm/刃)
1	150V(1.0)+50V(1.0)	0.12	0.36
2	150V(2.0)+50V(1.0)	0.13	0.54
3	150V(3.0)+50V(1.0)	0.12	0.6
4	150V(4.0)+50V(1.0)	0.115	0.54
5	150V(1.0)+50V(0.5)	0.125	0.54
6	150V(1.0)+50V(1.5)	0.114	0.36
7	150V(1.0)+50V(2.0)	0.113	0.36
8	150V(2.0)+50V(0.5)	0.13	0.6
9	150V(2.0)+50V(1.5)	0.118	0.42
10	150V(2.0)+50V(2.0)	0.112	0.36
11	150V(2.0)+50V(2.5)	0.103	0.3

표 3

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따르면 절삭공구 또는 내마모성 공구의 표면에 TiAlN계 다층박막을 1~2㎛로 증착한 뒤 그 위에 다시 0.5~1.5㎛로 증착하는 TiAlN계 다층 박막의 코팅방법을 제공한다.

여기서 상기 다층 경질 박막은 물리증착법으로 공구에 증착시킴이 바람직하고 상기 TiAlN계 다층박막은 TiAlN/TiAlCrN계 다층 박막이며 교차하여 100-1700층으로 코팅시킴이 바람직하다.

또한 상기 TiAlCrN 박막은 (TiaAlbCrc)N의 조성으로 이루어져 있으며 여기서 a+b+c=1이고 c=5원자%-12원자%인 것이 바람직하고 상기 (TiaAlbCrc)N 피복층은 우선 성장 방위가 (200)면임이 바람직하다. 또한 상기에서 초기 TiAlN계 다층 박막의 코팅시 인가 바이어스 전압은 90-150V가 바람직하고 이후의 인가 바이어스 전압은 20-90V로 한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 물리증착법을 이용하여 절삭공구 또는 내마모성 공구에 코팅되는 TiAlN계 다층경질박막에 있어서 Ti : Al의 비율이 50원자% : 50원자%인 합금 타겟을 사용하여 TiAlN 피복경질층과 TiAlCrN 피복경질층을 TiAlN/TiAlCrN/TiAlN/TiAlCrN....으로 교차하여 적층하며 증착시 바이어스 전압을 1회 이상 변경 증착하여 총박막두께가 6㎛이하로 됨을 특징으로 하는 다층경질박막.
2. 제 1항에 있어서, 상기 TiAlCrN 박막은 (TiaAlbCrc)N의 조성으로 이루어져 있으며 여기서 a+b+c=1이고 c=5원자%-12원자%임을 특징으로 하는 다층경질박막.
3. 제 2항에 있어서, 상기 a 및 b의 값이 40원자%≤a≤60원자% 및 40원자%≤b≤60원자%임을 특징으로 하는 다층경질박막.
4. 제 2항에 있어서, 상기 (TiaAlbCrc)N 피복층은 우선성장 방위가 (200)면임을 특징으로 하는 다층경질박막.
5. 제 1항에 있어서, 초기 바이어스 전압을 인가한 박막의 두께는 1-4㎛ 두께로 증착하고 바이어스 전압을 변경하여 0.5-1.5㎛ 두께로 증착함을 특징으로 하는 다층경질박막.
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